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研究人員設(shè)計(jì)高活性無PGM鈷基催化劑 可用于燃料電池
時(shí)間:2020-12-20 16:24來源:蓋世汽車 作者:Elisha
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（圖片來源：greencarcongress）
據(jù)外媒報(bào)道，由太平洋西北國家實(shí)驗(yàn)室（PNNL）材料科學(xué)家領(lǐng)導(dǎo)的多機(jī)構(gòu)研究團(tuán)隊(duì)開發(fā)出一種耐用的高活性催化劑，不需依賴昂貴的鉑族金屬（PGM），即可對(duì)必要的化學(xué)反應(yīng)起到催化作用。
這種新催化劑中含有摻雜氮和碳的鈷。與由鐵制成的類似結(jié)構(gòu)的催化劑（經(jīng)過充分研究發(fā)現(xiàn)的另一種有前景鉑替代品）相比，研究團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)，鈷催化劑可以達(dá)到類似效果，但耐久性是其四倍。
研究人員表示：“在1.0bar H2/O2燃料電池中，Co-N-C催化劑在0.9V阻抗補(bǔ)償（0.9 ViR-free）下的電流密度為0.022 A cm−2，峰值功率密度為0 64W cm−2，高于文獻(xiàn)報(bào)道的非鐵無鉑族金屬催化劑。重要的是，我們確定了M（金屬）-N-C催化劑的兩種主要降解機(jī)理：自由基氧化和活性中心脫金屬。與Fe-N-C相比，Co-N-C的耐久性提高，這要?dú)w因于Co離子在芬頓反應(yīng)中的活性較低，該反應(yīng)從主要的氧還原反應(yīng)副產(chǎn)物H2O2中產(chǎn)生自由基，并且Co-N-C的抗脫金屬性能明顯增高。”
通常的設(shè)想是，將質(zhì)子交換膜（PEM）燃料電池與氫氣配對(duì)使用，以實(shí)現(xiàn)多種跨領(lǐng)域應(yīng)用，包括運(yùn)輸、固定和備用電源、金屬制造等。這些高效清潔的能源轉(zhuǎn)換裝置，需要非常活躍的催化劑來進(jìn)行化學(xué)反應(yīng)——氧還原反應(yīng)，這是使燃料電池高效運(yùn)轉(zhuǎn)的“命脈”。對(duì)PEM燃料電池來說，鉑族金屬是效率最高的催化劑材料，但其成本約占燃料電池成本的一半。因此，科學(xué)家們正在研究鐵等過渡金屬，作為鉑的潛在替代品。但他們發(fā)現(xiàn)，在酸性PEM燃料電池環(huán)境中，這些金屬會(huì)迅速降解。
鈷是一種過渡金屬，相對(duì)于鉑來說，價(jià)格便宜且儲(chǔ)量豐富。先前研究表明，鈷的活性遠(yuǎn)低于鐵基催化劑。該項(xiàng)研究負(fù)責(zé)人、PNNL的材料科學(xué)家Yuyan Shao表示：“我們知道摻雜氮和碳的鈷結(jié)構(gòu)是催化劑有效反應(yīng)的關(guān)鍵，活性位點(diǎn)密度對(duì)性能至關(guān)重要。我們的目標(biāo)是真正提高鈷基催化劑的反應(yīng)活性。”
該團(tuán)隊(duì)將鈷基分子固定在沸石咪唑骨架的微孔中，這些微孔能起到保護(hù)屏障的作用，降低了鈷原子的遷移率，以免它們聚集在一起。然后，他們利用高溫?zé)峤猓瑢⒃愚D(zhuǎn)化為框架內(nèi)的催化活性位點(diǎn)。在這一結(jié)構(gòu)中，他們發(fā)現(xiàn)活性位點(diǎn)的密度顯著增加，進(jìn)而提高了反應(yīng)活性。事實(shí)上，在迄今報(bào)道過的燃料電池的非鐵無鉑族金屬催化劑中，這是活性最高的。
研究團(tuán)隊(duì)還發(fā)現(xiàn)，比起用同樣方法合成的鐵基催化劑，鈷基催化劑要耐用得多。他們首次發(fā)現(xiàn)，在脫金屬反應(yīng)過程中存在顯著差異。該類反應(yīng)是指金屬離子從催化劑中被濾出，然后催化劑失去活性。他們還發(fā)現(xiàn)，燃料電池中氧還原反應(yīng)的副產(chǎn)物（過氧化氫）中的氧自由基會(huì)攻擊催化劑，導(dǎo)致性能下降。Yuyan Shao表示：“最終，我們不僅提高了鈷基催化劑的活性，而且使耐久性顯著提升。經(jīng)過進(jìn)一步研究，我們發(fā)現(xiàn)了通常使這些類型催化劑降解的機(jī)理。”
(責(zé)任編輯：子蕊)
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